熔点为固态晶体物质的一种特性。 它是指从固态转变为液态的温度。 熔点测定是对固态晶体材料进行表征的较常用热分析。 它用于各种行业的研发和质量控制，以辨别固态晶体物质，检查其纯度。
在本网页中，您将了解熔点测定技术的基本知识。 另外，本网页还提供了日常工作的实操技巧和提示。
定义、测定原理、影响、测量技巧和提示、法规以及更多
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- 熔点是什么？
- 为什么要测定熔点？
- 熔点测定原理
- 毛细管法
- 药典对于熔点测定的要求
- 良好的样品制备
- 仪器设置
- 熔点测定仪器的校准和校正
- 加热速率对熔点测定的影响
- 熔点测定 – 提示和技巧
- 杂质对熔点的影响 – 熔点下降
- 混合熔点测定
1. 熔点是什么？
熔点为固态晶体物质的一种特性。 它是指从固态转变为液态的温度。 当物质受热时，会发生这种现象。 在熔化过程中，加到物质的所有能量都用作熔融热，而温度保持不变（见右图）。 在相变期间，材料的两种形态同时存在。
晶体材料由细小的颗粒组成，形成有规则的三维排列 – 晶格。 晶格中的颗粒由晶格作用力聚集在一起。 对固态晶体材料加热时，这些颗粒变得更有活力，开始更剧烈地移动，直到较后颗粒间的引力无法将其聚集在一起。 此时晶体结构被破坏，固体材料熔化。
颗粒间的引力越强，克服这些引力所需的能量越多。 所需能量越多，熔点就越高。 因此，固态晶体的熔点温度是其晶格稳定性的指标。
在熔点时，不但会发生聚合状态的变化；而且大量其他物理特性也会发生明显变化。 这些特性包括热力学值、比热容、焓，以及体积或粘度等流变属性。 较后也非常重要的一点是，光学属性双折射反射率和透光率也会发生变化。 与其他物理值相比，透光率变化可以轻松测定，因此可用于熔点测定。
4. 毛细管法
熔点测定通常在很薄的玻璃毛细管中进行，这种毛细管内径通常约为1 mm，壁厚0.1–0.2 mm。 将精细研磨的样品置于毛细管中，填充度为2 – 3 mm，然后将其放入靠近高准确度温度计的加热架（液体浴或金属装置）中。 加热架中的温度以用户可编程的固定速率进行坡升。 对熔化过程进行目视检查，确定样品的熔点。 梅特勒托利多的超越系列熔点仪等现代仪器可以实现熔点和熔程的自动检测，也可以通过摄像头进行目视检测。很多本地药典中均要求使用毛细管法作为熔点测定的标准技术。
通过梅特勒托利多的超越系列熔点仪，较多可以同时测量6个毛细管。
药典的熔点测定要求包括熔点仪器的较低设计要求，以及执行测量的较低要求。
以英国药典为例，药典要求一览：
- 使用外径为1.3–1.8 mm，壁厚为0.1–0.2 mm的毛细管。
- 采用1°C/min恒定加热速率。
- 除非另行说明，否则在大多数药典中均规定，应在无固体物质残留时，在C点（熔化结束=清亮点）处记录熔化结束时的温度。
- 记录的温度代表热电偶所置于的加热架（可以是油浴或者金属装置）的温度。
梅特勒托利多熔点仪完全符合药典要求。
关于国际规范与标准的详细信息，请访问
使用梅特勒托利多熔点工具进行的样品制备过程：
步骤1：首先，需要在干燥器中对样品进行干燥。 然后在研钵中对少量样品进行精细研磨。
步骤2：同时准备几个毛细管，以便使用梅特勒托利多仪器进行测量。 毛细管装填工具可以完美协助进行装填，因为空毛细管牢固放置在爪夹具中。 通过该工具的帮助，可以很容易地从研钵收集少量样品。
步骤3：松开夹具，对台子上的毛细管轻轻弹几下，让毛细管顶部的少量样品沿着毛细管下移。 这个动作会将样品紧实地堆叠在毛细管的底部。 “反弹效应”会让物质紧实堆叠，避免产生气孔。
步骤4：正确装填高度可通过毛细管装填工具上的刻尺进行检查。 装填高度一般不应超过3 mm。
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熔点分析样品制备步骤1 |
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熔点分析样品制备步骤2a |
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熔点分析样品制备步骤2b |
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熔点分析样品制备步骤3 |
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熔点分析样品制备步骤4 |
7. 仪器设置
除了正确制备样品之外，仪器上的设置对于熔点的精确测定来说也非常重要。 需正确选择起始温度、结束终止温度和加热坡升速率，这样才能防止由于样品加热速率过快导致的不准确性：
a) 起始温度
熔点测定的起始温度为接近预期熔点的一个预定义温度。 对加热架进行快速预热，直到达到起始温度。 在起始温度下，将毛细管装入炉体，此时温度开始以定义的加热坡升速率上升。
计算起始温度的常用公式为：
起始温度 = 预期熔点 – (5 分钟*加热速率)
b) 加热坡升速率
加热坡升速率指的是加热斜坡起始温度和终止温度之间温度上升的固定速率。
结果在很大程度上取决于加热速率 – 加热速率越高，观测到的熔点温度越高。
药典采用1°C/min恒定加热速率。 对于需要较高准确性和非易分解样品，使用0.2 °C/min。 对于易分解物质，应使用5 °C/min的加热速率。 对于探索性测定，可以使用10 °C/min的加热速率。
c) 终止温度
测定过程中要达到的最高温度。
计算终止温度的常用公式为：
终止温度 = 预期熔点 + (3 分钟*加热速率)
d) 热力学/药典模式
熔点评估有两种模式：药典熔点和热力学熔点。 药典模式会忽略加热过程中炉体温度与样品温度之间的差别（炉体温度更高），即测量的是炉体温度而不是样品温度。 因此，药典熔点很大程度上取决于加热速率。 所以只有采用相同的加热速率，测量结果才具备可比性。
而另一方面，热力学熔点则通过这样的方式获取：药典熔点减去热力学系数“f”和加热速率平方根的数学乘积。 该热力学系数是一个仪器特定的经验系数值。 热力学熔点是真正的正确熔点。 此值与加热速率或其他参数无关。 此值用处很大，可以对不同物质的熔点进行比较，而与实验设置无关。
熔点和滴点 – 自动分析
本熔点和滴点指南解释了熔点和滴点自动分析的测量原理，提供了获取更好测量结果和性能验证的提示和技巧。
将设备投入使用之前，建议首先验证其测量准确性。 为了检查温度准确性，应使用具有精确检定熔点的熔点标准物对仪器进行校准。 这样，就可以将实际测量值与标称值和允差进行比较。
如果校准未通过（即：测得的温度值与相关参比物的检定标称值范围不匹配），则需要校正仪器。
为了确保测量准确性，建议定期使用经过检定的参比物对炉体进行校准。
超越系列熔点仪出厂时已经使用梅特勒托利多参比物进行了校正。 首先使用二苯甲酮、苯甲酸和咖啡因执行三点校准，然后进行校正。 接着，使用香兰素和硝酸钾对校正进行校准验证。
9. 加热速率对熔点测定的影响
结果在很大程度上取决于加热速率 – 加热速率越高，观测到的熔点温度越高。 之所以不在物质中直接测量熔点温度，而在加热装置中毛细管的外侧进行测量，是由于技术方面的原因。 因此，样品的温度会滞后于炉体温度。 加热速率越高，烘箱温度上升速度越快，测量的熔点和实际熔点温度之间的差异越大。
由于对加热上升速率的依赖性，只有使用相同速率获取的熔点之间才有可比性。
样品和炉体的温度行为
熔点测定的起始温度为接近预期熔点的一个预定义温度。 红色实线表示样品的温度（参见下图）。 在熔化过程开始，样品温度和炉体温度相同；炉体和样品温度事先进行了热平衡。 样品温度与炉体温度成比例上升。 我们必须记得，样品温度升高带有短暂延迟，这是由于炉体到样品传热所需的时间而导致的。 加热时，炉体温度总是高于样品温度。 在某个特定点，炉体热熔化毛细管内的样品。 样品温度保持恒定，直到整个样品熔化。 我们会对不同的炉体温度值 TA 和 TC 进行区分，分别以各自的熔化过程阶段定义：崩塌点和清亮点。 一旦样品完全熔化，毛细管内的样品温度即会明显上升。 它与炉体温度并行上升，较开始时表现出相似的延迟。
药典熔点与热力学熔点
熔点评估有两种模式：药典熔点和热力学熔点。 药典模式会忽略加热过程中炉体温度与样品温度之间的差别（炉体温度更高），即测量的是炉体温度而不是样品温度。 因此，药典熔点很大程度上取决于加热速率。 所以只有采用相同的加热速率，测量结果才具备可比性。
而另一方面，热力学熔点则通过这样的方式获取：药典熔点减去热力学系数“f”和加热速率平方根的数学乘积。 该热力学系数是一个仪器特定的经验系数值。 热力学熔点是真正的正确熔点（参见下图）。 此值与加热速率或其他参数无关。 此值用处很大，可以对不同物质的熔点进行比较，而无论实验设置如何。
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10. 熔点测定 – 提示和技巧
- 带颜色或易分解样品（偶氮苯、重铬酸钾、碘化镉）或熔化物中容易出现气泡的样品（尿素）可能需要降低阈值B或使用C值作为评估标准，因为在熔化过程中透光率增加不会如此之高。
- 易分解（糖）或升华的样品（咖啡因）：使用火焰密封毛细管。 挥发性组分会在密封的毛细管内产生过压，阻止进一步分解或升华。
- 吸湿性样品：使用火焰密封毛细管。
- 加热速率：通常为1°C/min。 对于需要较高准确性和非易分解样品，使用0.2 °C/min。 对于分解物质，使用5 °C/min；对于探索性测定，使用10 °C/min。
- 起始温度：预期熔点之前3 – 5分钟，分别为预期熔点以下5 – 10 °C（加热速率乘以3 - 5）。
- 终止温度：一个成功的测量曲线要求终止温度在预期温度以上大约5 °C。
- 如果SOP和仪器允许，则使用热力学熔点。 热力学熔点是真正的正确熔点，与仪器参数无关。
- 关于样品制备：待测样品必须完全干燥、均质且呈粉末形状。 含水样品必须首先干燥。 粗晶样品和非均质样品在研钵中进行精细研磨。 为了确保结果的可比性，务必将所有毛细管装填到相同高度，并在毛细管中将物质压实。
- 推荐使用精确制造的熔点毛细管，这样可以确保高准确度和可重复性的结果，如梅特勒托利多的毛细管。 如果使用其它毛细管，则应对这些仪器进行校准，如果需要，则使用这些毛细管进行调节。
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12. 混合熔点测定
如果两个物质在相同的温度下熔化，混合熔点测定则可以揭示它们是否为同一种相同物质。 由两种组分组成的混合物的熔化温度通常低于任一纯组分的熔化温度。 这种行为称为熔点下降。
对于混合熔点测定，将样品与参比物以1:1比例进行混合。 只要与参比物混合导致样品熔点下降，两个物质就不可能完全相同。 如果混合物熔点不下降，则表示样品与添加的参比物完全相同。
通常会测定三个熔点：样品、参比物，以及样品和参比物的1:1混合物。 正是由于这种混合熔点技术，所有优质熔点仪器才在其加热装置中至少容纳三个毛细管。
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图1：样品和参比物相同 |
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图2：样品和参比物不相同 |
